JP4479884B2 - 低カロリーガス燃料を用いた発電設備及び発電方法 - Google Patents
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Description
本発明は、バイオガス等の低カロリーガス燃料を用いてガスエンジン等を運転し、発電を行う発電設備及び発電方法に関する。
近年、バイオガスや汚泥消化ガスを燃料にしてガスエンジン、ガスタービン等の熱機関を運転し、発電を行う技術が開発されている。バイオガス、汚泥消化ガスは、発酵可能な有機物資源（家畜の糞尿、生ゴミ、規格外の農産物など）を嫌気性発酵させ、取り出す可燃性ガスである。バイオガス等を利用することは化石燃料（石油、石炭）の削減にもつながり、二酸化炭素の排出量の削減にも役立つことから、自然エネルギーの一種として注目を集めている。また、廃棄物を熱分解することによって生成する熱分解ガス、石炭採掘中に発生する炭鉱メタンガス等を燃料として、同様にしてガスエンジン等を運転し、発電する技術も開発されている。
上記のバイオガス等の発熱量は、都市ガスやＬＰガスの発熱量に比べ低く、例えばバイオガスの発熱量が５０００〜６０００ｋｃａｌ／Ｎｍ３、炭鉱メタンガスの発熱量が２５００〜３０００ｋｃａｌ／Ｎｍ３であるのに対し、都市ガスの発熱量が約１００００ｋｃａｌ／Ｎｍ３である。そのため、バイオガス、汚泥消化ガス、熱分解ガス、炭坑ガス等は「低カロリーガス」と分類されるのに対し、都市ガス、ＬＰガス等は「高カロリーガス」と分類される。
上記のような低カロリーガス燃料を用いた発電技術は、例えば、下記特許文献１、２に開示されている。
特許文献１の従来技術として開示された「ガスエンジン発電システム」は、図４に示すように、熱分解ガス化処理システム４１と、熱分解ガス処理システム４１により生成されたクリーンガスを貯蔵するガスホルダ４２と、クリーンガスを燃料として運転するガスエンジン４３と、ガスエンジン４３により回転駆動されて発電する発電機４４と、ガスエンジン４３の燃焼排ガスを脱硝する脱硝装置４５とを備えている。クリーンガスが、ブロアによってガスエンジン４３に供給されるとガスエンジン４３が運転され、これに接続された発電機４４が回転駆動されて電力を発生させる。ガスエンジン４３の燃焼排ガスは、脱硝装置４５を通過して脱硝された後、大気に排ガスとして放出される。
ところで、ガスエンジンやガスタービンでは、燃焼を安定化させるために燃料ガス発熱量は一定であることが要求される。特にガスエンジンでは空燃比の管理が厳しく、燃料ガス発熱量の変動はノッキングを発生させる要因となり得る。しかしながら、熱分解ガス、バイオガス等の低カロリーガスは、その発生量が時期的・時間的に変動するため、これに伴い燃料ガス発熱量が変動してしまう。そこで、上記「ガスエンジン発電システム」では、燃料ガス発熱量の均一化、安定化を目的として、ガスホルダ４２を設けている。
特許文献２の「ガスエンジンシステム」は、ガスエンジン装置に供給するガス燃料の発熱量を均一化し、ガスエンジン発電装置の燃焼状態を安定に制御することを目的とし、図５に示すように、ガスエンジン装置５１と、低カロリーガスが供給される燃料ガス供給経路５２と、燃料ガスと混合される空気が供給される空気供給経路５３と、空気供給経路５３からの空気と燃料ガス供給経路５２からの燃料ガスとを混合させる燃料空気混合器５４と、燃料空気混合器５４とガスエンジン装置５１とを接続する接続経路５５と、高カロリーガスを燃料ガス供給経路５２に供給する補助燃料ガス供給装置５６とを備えている。燃料ガス供給経路５２には、発熱量計測装置５７が接続されており、発熱量計測装置５７の計測結果に基づいて、当該計測結果が所定の値未満であった場合に、制御指令部５８は制御弁５９を開いて高カロリーガス（都市ガス等）を燃料ガス供給経路５２に供給し、低カロリーガスと高カロリーガスとを混合するようになっている。
上述した特許文献１の「ガスエンジン発電システム」は、ガスホルダ４２を燃料ガス発熱量の変動を緩和するためのバッファとして設け、これにより燃料ガス発熱量の均一化を図っている。しかしながら、ガス発熱量を完全に均一化するためには、巨大なガスホルダが必要となるため、経済的でないという問題がある。
また、特許文献２の「ガスエンジンシステム」は、低カロリーガスと高カロリーガスとを混合することにより、ガス発熱量の均一化を図ろうとするものであるが、発熱量変化を安定化させる制御は実際上難しく、また、新たに高カロリーガスの導入系統が追加設備となるため経済的でないという問題がある。
本発明は、上述した問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、熱機関に燃料として供給する低カロリーガスの発熱量を、巨大なガスホルダや高カロリーガスを用いることなく、均一化、安定化させ、熱機関において安定燃焼を図ることができる低カロリーガス燃料を用いた発電設備及び発電方法を提供することにある。
上記本発明の目的を達成するため、本発明の低カロリーガス燃料を用いた発電設備は、発熱量が変動する低カロリーガスの供給源から低カロリーガスを燃料として供給して発電を行う低カロリーガス燃料を用いた発電設備であって、その発熱量の変動範囲内において最低の発熱量を持つ低カロリーガスを燃料として運転可能な熱機関と、該熱機関により回転駆動されて電力を発生させる発電機と、前記熱機関に接続され、該熱機関に供給する低カロリーガスを流通させるガス供給路と、該ガス供給路に前記低カロリーガスと混合させる空気を供給することにより、前記熱機関に供給する低カロリーガスの発熱量の変動を抑制するガス発熱量変動抑制装置とを備え、前記ガス発熱量変動抑制装置は、前記ガス供給路に接続され該ガス供給路に供給する空気を流通させる空気供給路と、該空気供給路に設けられ空気の供給量を調節する空気流量調節弁と、前記ガス供給路の前記空気供給路との接続点より下流側を流通する低カロリーガスを昇圧するガス昇圧器と、該ガス昇圧器より下流側を流通する低カロリーガスの発熱量を計測する熱量分析装置と、該熱量分析装置の計測結果に基づいて前記熱機関に供給する低カロリーガスの発熱量の変動を抑制するように前記空気流量調節弁の弁開度を制御する制御部とを有する、ことを特徴としている。
上記本発明によれば、低カロリーガスを空気と混合して希釈することにより、熱機関に供給する低カロリーガスの発熱量の変動を抑制するので、低カロリーガスの発熱量の変動を吸収するための巨大なガスホルダを必要とせず、また、高カロリーガスを補助燃料として供給する必要もない。したがって、設備コストを抑え、かつ、熱機関に供給する低カロリーガスの発熱量を均一化、安定化させ、熱機関において安定燃焼を図ることができるという効果が得られる。
このような構成により、熱量分析装置により、低カロリーガスの発熱量を計測し、この計測結果に基づいて、制御部により、熱機関に供給する低カロリーガスの発熱量の変動を抑制するように空気流量調節弁の弁開度を制御し空気供給量を調節することができる。これにより、熱機関に供給する低カロリーガスの発熱量を均一化、安定化させることができる。また、発熱量分析装置は、空気と混合された低カロリーガスの発熱量を計測するので、低カロリーガスの発熱量分析に当たり、計算項目が少なくて済む。このため、容易に低カロリーガスの発熱量を計測することができ、制御部及び空気流量調節弁による空気流量の制御も容易となり、低カロリーガスの発熱量の変動を的確に抑制することが可能となる。
また、本発明の低カロリーガス燃料を用いた発電方法は、発熱量が変動する低カロリーガスを燃料として供給して熱機関を運転し、該熱機関により発電機を駆動して発電を行う低カロリーガス燃料を用いた発電方法において、低カロリーガスと空気とを混合し、混合した低カロリーガスを昇圧し、昇圧した低カロリーガスの発熱量を計測し、該計測結果に基づいて前記熱機関に供給する低カロリーガスの発熱量の変動を抑制するように前記空気の流量を制御し、
これにより低カロリーガスと空気とを混合して該低カロリーガスの発熱量の変動を抑制し、発熱量の変動を抑制した低カロリーガスを、上記発熱量の変動範囲内において最低の発熱量を持つ低カロリーガスを燃料として運転可能な熱機関に供給することを特徴としている。
これにより低カロリーガスと空気とを混合して該低カロリーガスの発熱量の変動を抑制し、発熱量の変動を抑制した低カロリーガスを、上記発熱量の変動範囲内において最低の発熱量を持つ低カロリーガスを燃料として運転可能な熱機関に供給することを特徴としている。
上記本発明によれば、低カロリーガスを空気と混合して希釈することにより、熱機関に供給される低カロリーガスの発熱量の変動を抑制するので、低カロリーガスの発熱量の変動を吸収するための巨大なガスホルダを必要とせず、また、高カロリーガスを補助燃料として供給する必要もない。したがって、設備コストを抑え、かつ、熱機関に供給する低カロリーガスの発熱量を均一化、安定化させ、熱機関において安定燃焼を図ることができるという効果が得られる。
上記本発明の低カロリーガス燃料を用いた発電設備及び発電方法によれば、熱機関に燃料として供給する低カロリーガスの発熱量を、巨大なガスホルダや高カロリーガスを用いることなく、均一化、安定化させ、熱機関において安定燃焼を図ることができるという優れた効果が得られる。
以下、本発明の好適な実施の形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。なお、各図において同一部分には同一符号を付し、重複した説明は省略する。また、以下、本明細書において、「発熱量」とは「単位体積あたりの発熱量」を意味するものとする。
図１は、本発明の第１の実施の形態による低カロリーガス燃料を用いた発電設備を示す概略構成図であり、当該発電設備により本発明の低カロリーガス燃料を用いた発電方法を実施することができる。図１において、本実施形態に係る発電設備１０は、ガスタービン１２と、発電機１３と、燃料ガス供給系１４と、ガス発熱量変動抑制装置２１とを備えている。
ガスタービン１２は、圧縮器１２ａと、燃焼器１２ｂと、タービン１２ｃとを備え、圧縮機１２ａで空気を圧縮し、燃焼器１２ｂで燃料ガス（バイオガス１）を空気と混合して燃焼させ、発生した燃焼ガスでタービン１２ｃを駆動する。ガスタービン１２ｃを駆動した燃焼ガスは、燃焼排ガスとして外部に放出される。なお、本実施形態では、熱機関としてガスタービン１２を使用しているが、これに限定されず、ガスエンジンであっても良い。適用できる熱機関については後述する。
発電機１３は、ガスタービン１２に接続され、ガスタービン１２の運転により回転駆動されて電力を発生するようになっている。
燃料ガス供給系１４は、嫌気性排水処理装置１５と、脱硝装置１６と、ガスホルダ１７と、ガス供給路１８と、ガス昇圧器１９とを備えている。嫌気性排水処理装置１５は、下水処理場や食品加工工場等の有機性排水を嫌気性処理して低カロリーのバイオガス１を発生させる装置である。発生するバイオガス１は、約５０００〜６０００ｋｃａｌ／Ｎｍ３前後の低発熱量の燃料ガスであり、上述したように、時期的・時間的にも大きく変動する。また、図１において、発生したバイオガス１は、脱硫装置１６で含有する硫黄成分を除去された後、ガスホルダ１７内に所定の圧力（例えば大気圧）で貯蔵され、その発熱量変動をある程度除去される。ガスホルダ１７を出たバイオガス１は、ガスホルダ１７とガスタービン１２とを接続するガス供給路１８を介して、ガスタービン１２の燃焼器１２ｂに供給される。このとき、バイオガス１はガス昇圧器１９により所定圧力まで昇圧される。
なお、本実施形態では、燃料ガスとしてバイオガスを使用しているが、これに代えて、汚泥消化ガス、熱分解ガス、炭鉱メタンガス等のその他の低カロリーガスについても同様に使用することができる。
ガス発熱量変動抑制装置２１は、空気供給路２２と、空気流量調節弁２３と、熱量分析装置２４と、制御部２５と、空気ブロア２６とを備えている。空気供給路２２は、ガス供給路１８に接続されており、内部に流通する空気２０の流量が空気流量調節弁２３により調節されるようになっている。空気供給路２２を出た空気２０は、ガス供給路１８を流通するバイオガス１と混合される。これにより、バイオガス１は空気希釈される。
熱量分析装置２４は、ガス供給路１８の空気供給路２２との接続点より下流側を流通するバイオガス１の発熱量を計測するようになっている。より好ましくは、図１のように、ガス供給路１８のガス昇圧器１９より下流側を流通するバイオガス１の発熱量を計測する。制御部２５は、熱量分析装置２４の計測結果に基づいて、ガスタービンに供給するバイオガス１の発熱量の変動を抑制するように、空気流量調節弁２３の弁開度を制御して、ガス供給路１８に供給する空気２０の流量を調節する。
図２は、ガス発熱量変動抑制装置２１によるバイオガス１の発熱量変動抑制を説明する概念図である。図２において、横軸は時間Ｔ［ｈ］を、縦軸はバイオガス１の発熱量Ｑ［ｋｃａｌ／Ｎｍ３］を示す。ラインＬ１は、ガス発熱量変動抑制装置２１により発熱量の変動を抑制しない場合を示しており、ラインＬ２は、ガス発熱量変動抑制装置２１により発熱量の変動を抑制した場合を示している。この図から分かるように、ガス発熱量変動抑制装置２１は、バイオガス１がラインＬ２以上の発熱量をもつときには、ガスタービン１２に供給するバイオガス１が、ラインＬ２の発熱量となるように空気２０と混合して希釈するようになっている。すなわち、発熱量の変動範囲内において最低の発熱量を基準とし、この基準値以上である場合には、この基準値となるようにバイオガス１を空気２０と混合して希釈する。
なお、対応できる最低発熱量は、使用する機種により異なるが、一般的なガスタービンであれば、約４０００ｋｃａｌ／Ｎｍ３までの低カロリーガスに対応できる。また、ガスタービン１２に代えてガスエンジンを使用する場合には、マイクロパイロット方式と呼ばれるガスエンジン（米国特許第６２０９５１１号明細書参照。）であれば、約１５００ｋｃａｌ／Ｎｍ３までの低カロリーガスに対応できる。
したがって、バイオガス、汚泥消化ガスの発熱量は約５０００〜６０００ｋｃａｌ／Ｎｍ３であることから、若干の空気希釈により、ガスタービンにて安定燃焼が可能であり、マイクロパイロット方式のガスエンジンでは当然に安定燃焼が可能である。
また、低カロリーガス燃料として炭坑メタンガスを使用する場合には、炭鉱メタンガスの発熱量は２５００〜３０００ｋｃａｌ／Ｎｍ３程度であることから、これを燃料とする熱機関としてマイクロパイロット方式のガスエンジンを使用し、炭鉱メタンガスを上述した手法により空気希釈して発熱量変動を抑制することで、ガスエンジン側での空燃比調整が不要となり、安定燃焼が可能となる。
なお、低カロリーガス燃料として熱分解ガスを使用する場合には、熱分解ガスの発熱量は原料や熱分解の方式によって１０００〜数１０００ｋｃａｌ／Ｎｍ３と大きく異なるため、熱機関としては、上述したマイクロパイロット方式のガスエンジンで対応可能な範囲であれば、これを使用することができる。
このように本発明の第１の実施形態によれば、低カロリーガス（バイオガス１）を空気２０と混合して希釈することにより、熱機関（ガスタービン１２）に供給する低カロリーガスの発熱量の変動を抑制するので、低カロリーガスの発熱量の変動を吸収するための巨大なガスホルダを必要とせず、また、都市ガス等の高カロリーガスを補助燃料として供給する必要もない。したがって、設備コストを抑え、かつ、熱機関に供給する低カロリーガスの発熱量を均一化、安定化させ、熱機関において安定燃焼を図ることができるという効果が得られる。
また、発熱量分析装置２４は、ガス供給路１８の空気供給路２２との接続点より下流側、より好ましくは、ガス供給路１８のガス昇圧器１９より下流側を流通するバイオガス１の発熱量を計測するので、低カロリーガスの発熱量分析に当たり、計算項目が少なくて済む。このため、容易に低カロリーガスの発熱量を計測することができ、制御部２５及び空気流量調節弁２３による空気流量の制御も容易となり、低カロリーガスの発熱量の変動を的確に抑制することが可能となる。
次に、本発明の第２の実施の形態を図３に基づいて説明する。図３は、本発明の第２の実施の形態による低カロリーガス燃料を用いた発電設備を示す概略構成図であり、第１の実施形態と同様に、当該発電設備によっても、本発明の低カロリーガス燃料を用いた発電方法を実施することができる。
図３に示すように、本実施の形態の発電設備１０は、ガス発熱量変動抑制装置２１の熱量分析装置２４が、ガス供給路１８の空気供給路２２との接続点より上流側を流通するバイオガス１の発熱量を計測するようになっている。また、制御部２５は、熱量分析装置２４の計測結果に基づいてガスタービン１２に供給するバイオガス１の発熱量の変動を抑制するように空気流量調節弁２３の弁開度を制御する。その他の構成は、第１の実施の形態と同様であり、ガスタービン１２に代えてガスエンジンを使用しても良い点についても同様である。
本発明の第２の実施の形態では、熱量分析装置２４が、ガス供給路１８の空気供給路２２との接続点より上流側を流通するバイオガス１の発熱量を計測するようになっているので、バイオガス１について、その後の空気２０との混合、ガス昇圧器１９による昇圧等を考慮して発熱量の計測、及び空気２０の流量制御を行う必要があるため、多少、制御が難しくなるものの、その他の点では、第１の実施の形態とほぼ同様の効果が得られる。すなわち、本発明の第２の実施の形態によっても、低カロリーガス（バイオガス１）を空気２０と混合して希釈することにより、熱機関（ガスタービン１２）に供給する低カロリーガスの発熱量の変動を抑制するので、低カロリーガスの発熱量の変動を吸収するための巨大なガスホルダを必要とせず、また、都市ガス等の高カロリーガスを補助燃料として供給する必要もない。したがって、設備コストを抑え、かつ、熱機関に供給する低カロリーガスの発熱量を均一化、安定化させ、熱機関において安定燃焼を図ることができるという効果が得られる。
その他、本発明は上述した実施の形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加え得ることは勿論である。
１ バイオガス
１０ 発電設備
１２ ガスタービン
１２ａ 圧縮機
１２ｂ 燃焼器
１２ｃ タービン
１３ 発電機
１４ 燃料ガス供給系
１５ 嫌気性排水処理装置
１６ 脱硫装置
１７ ガスホルダ
１８ ガス供給路
１９ ガス昇圧器
２０ 空気
２１ ガス発熱量変動抑制装置
２２ 空気供給路
２３ 空気流量調節弁
２４ 熱量分析装置
２５ 制御部
２６ 空気ブロア
１０ 発電設備
１２ ガスタービン
１２ａ 圧縮機
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１６ 脱硫装置
１７ ガスホルダ
１８ ガス供給路
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２０ 空気
２１ ガス発熱量変動抑制装置
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２６ 空気ブロア
Claims (2)
- 発熱量が変動する低カロリーガスの供給源から低カロリーガスを燃料として供給して発電を行う低カロリーガス燃料を用いた発電設備であって、
その発熱量の変動範囲内において最低の発熱量を持つ低カロリーガスを燃料として運転可能な熱機関と、
該熱機関により回転駆動されて電力を発生させる発電機と、
前記熱機関に接続され、該熱機関に供給する低カロリーガスを流通させるガス供給路と、
該ガス供給路に前記低カロリーガスと混合させる空気を供給することにより、前記熱機関に供給する低カロリーガスの発熱量の変動を抑制するガス発熱量変動抑制装置とを備え、
前記ガス発熱量変動抑制装置は、前記ガス供給路に接続され該ガス供給路に供給する空気を流通させる空気供給路と、該空気供給路に設けられ空気の供給量を調節する空気流量調節弁と、前記ガス供給路の前記空気供給路との接続点より下流側を流通する低カロリーガスを昇圧するガス昇圧器と、該ガス昇圧器より下流側を流通する低カロリーガスの発熱量を計測する熱量分析装置と、該熱量分析装置の計測結果に基づいて前記熱機関に供給する低カロリーガスの発熱量の変動を抑制するように前記空気流量調節弁の弁開度を制御する制御部とを有する、ことを特徴とする低カロリーガス燃料を用いた発電設備。 - 発熱量が変動する低カロリーガスを燃料として供給して熱機関を運転し、該熱機関により発電機を駆動して発電を行う低カロリーガス燃料を用いた発電方法において、
低カロリーガスと空気とを混合し、混合した低カロリーガスを昇圧し、昇圧した低カロリーガスの発熱量を計測し、該計測結果に基づいて前記熱機関に供給する低カロリーガスの発熱量の変動を抑制するように前記空気の流量を制御し、
これにより低カロリーガスの発熱量の変動を抑制し、発熱量の変動を抑制した低カロリーガスを、上記発熱量の変動範囲内において最低の発熱量を持つ低カロリーガスを燃料として運転可能な熱機関に供給する、ことを特徴とする低カロリーガス燃料を用いた発電方法。
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| JP2012067953A (ja) * | 2010-09-22 | 2012-04-05 | Asahi Breweries Ltd | バーナ |
-
2003
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